[發明專利]一種火場自主導航偵察機器人

有效

• 申請號: 201911054366.6
• 申請日: 2019-10-31
• 公開（公告）號: CN110673603B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 李森;張單;宋懷濤;馮春勇;牛運晨
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 劉璐璐

1.一種火場自主導航偵察機器人，其特征在于：包括機器人本體（1）、控制終端和設置在機器人本體（1）上的機器人主控制器、機器人底層控制器、環境地圖構建與導航單元、執行單元、環境信息探測單元、語音單元和視頻采集單元，所述的機器人底層控制器與機器人主控制器連接，與機器人底層控制器相連設有環境地圖構建與導航單元、執行單元、環境信息探測單元；與機器人主控制器相連設有語音單元和視頻采集單元，所述的機器人主控制器通過無線局域網與控制終端連接，所述控制終端包括消防救援指揮中心PC機控制端和消防員隨身佩戴控制端，消防員隨身佩戴控制端又包括頭戴式AR顯示器和手握式遙控器。

2.根據權利要求1所述的火場自主導航偵察機器人，其特征在于：所述的環境地圖構建與導航單元包括激光雷達（523）、IMU模塊、里程計，激光雷達（523）與機器人主控制器連接，IMU模塊和里程計與機器人底層控制器連接。

3.根據權利要求2所述的火場自主導航偵察機器人，其特征在于：所述的環境地圖構建與導航單元使用SLAM算法結合激光雷達完成火場環境同步定位與地圖構建，其具體包括以下步驟：①慣性測量單元的IMU模塊和里程計對機器人本身進行航向角和里程測量獲得機器人自身姿態信息；②激光雷達對周圍環境中的障礙物進行環境信息探測和測距獲得周圍障礙物表面二維點云信息；③將步驟①和②獲得的機器人自身姿態信息和周圍障礙物表面二維點云信息，逐幀進行匹配；將當前幀數據根據初始位置投影到參考幀坐標系；④對應當前幀中的點，在參考幀中找到兩個與之相近的點，并分別計算與當前幀之間的誤差；⑤設定一個閾值剔除誤差較大的幀；⑥獲取控制終端輸入的行動指令；⑦行動后，根據運動模型通過粒子濾波器對機器人當前位置進行估計，判斷機器人自身處于地圖中的位置；⑧判斷是否觀測到特征點，若沒發現特征點，則返回上一步，若發現特征點，則進入下一步；⑨基于卡爾曼濾波器進行對環境特征進行估計；⑩將估計的環境特征與激光雷達掃描的當前環境特征進行比較，若差異性較大，則進行重采樣，返回第一步，若差異性較小，則進行地圖更新。

4.根據權利要求3所述的火場自主導航偵察機器人，其特征在于：所述的環境地圖構建與導航單元基于構建的火場環境平面地圖，機器人可實現火場中的自主導航，具體步驟如下：機器人主控制器使用A*（A-Star）算法計算出到達導航點的最優全局路徑，并且在導航的過程中使用D*（D-Star）算法動態計算局部最優路徑，其具體步驟為：首先給定目標位置，根據環境地圖構建與定位單元構建好的地圖，啟動全局路徑規劃A*（A-Star）算法，利用啟發函數首先在地圖上確定目標位置的一個大致方向，沿該方向在柵格地圖上進行路徑節點全局遍歷；通過計算篩選出相鄰柵格間最短距離，得到全局路徑；機器人根據全局路徑行進的過程中，為了避免現場環境與載入地圖之間存在差異性，設定一個區域范圍，在該范圍中進行實時地圖構建，同時與載入地圖進行比較，得到一個局部代價地圖，在局部代價地圖中利用D*（D-Star）算法規劃該區域內的局部路徑，進而動態校準全局路徑，并進行避障。

5.根據權利要求1所述的火場自主導航偵察機器人，其特征在于：所述的環境信息探測單元包括溫度傳感器（541）、煙氣濃度傳感器（542）、可燃氣體傳感器（543）；溫度傳感器（541）、煙氣濃度傳感器（542）和可燃氣體傳感器（543）均設置在機器人本體上方。

6.根據權利要求1所述的火場自主導航偵察機器人，其特征在于：所述的執行單元包括360度云臺（531）、驅動電機（532）、風機（533）、位置指示燈（534），驅動電機（532）與行走機構連接，所述的行走機構包括若干個行走輪（21）和履帶（22），履帶（22）包裹在行走輪（21）上，行走輪（21）與驅動電機（532）的輸出軸連接；360度云臺（531）設置在機器人本體（1）上方，風機（533）設置在機器人本體（1）內，位置指示燈（534）設置在360度云臺（531）前方。